光催化在电力输变线路中的应用

点击：1899时间：2010-02-07 14:30:47　来源: 创始人

光催化在电力输变线路中的应用

戴文新，陈旬，刘平，郑华荣，付贤智

（福州大学光催化研究所，福建福州，350002

Tel:0591-83779086,Fax:0591-83779105,Email:daiwenxin@fzu.edu.cn)

摘要：如何减少和避免绝缘子表面的污闪现象是保障高压输电线路正常生产的一个难题，本文中，在绝缘子表面涂覆一层光催化纳米薄膜。一方面，利用光催化薄膜的光自洁作用减少绝缘子表面的积污；另一方面，利用光催化薄膜的半导体特性提高电场在绝缘子表面的均匀分布，两者的共同作用可提高绝缘子表面的防污闪性能。

1、前言

电力输送是通过输电线路将电力从发电车送到远方用户，其在输送过程中必须具备两个基本条件，一是为传输电流的导线提供机械支撑；二是防止电流对地形成通道接地。这两种基本功能通过绝缘子实现。然而使用过程中，绝缘子表面因长期积污会出现闪络，这种污闪现象将严重影响高压输变电路的安全生产。跨市、跨地区的较大面积污闪首先发生于20世纪70年代，1972年山东发生大面积污闪，1974年苏南、上海、山东、辽宁发生大面积污闪。随着环境污染的日益严重污闪事故出现上升趋势，80、90年代在东北、华北、华东、西北地区多次出现大面积污闪。2001年2月份，我国北方地区发大面积污闪事故，辽宁、河北、河南以及京津唐地区600多条线路相继发生污闪跳闸，100多座变电站停电，事故损失惨重。大面积污闪不仅可直接造成电网或局部电网的解列、崩溃，而且众多难以重合成功的闪络点极易导致电网事故扩大形成大面积停电。防污闪工作已成为电网安全运行的头等大事，如何防治和杜绝电网的大面积污闪已成为电力系统安全可靠运行的一个迫切需要解决的问题。

目前线路防污闪的主要手段仍是依靠定期的停电清扫，这不仅需要花费大量的人力物力，而且因停电而造成额外的经济损失。为此，研究者们提出了其他的防污闪措施：（1）机械增加绝缘子爬电距离，如增加绝缘子串中的绝缘子片数、采用大爬距绝缘子等。（2）根据空气动力学原理设计出防污造型的绝缘子，如双伞、三伞型、钟罩型绝缘子等。（3）提高绝缘子表面憎水性及憎水迁移性，即有机硅料的应用，如各种有机复合绝缘子、在普通瓷绝缘子表面涂覆RTV等。然而，上述方法具有一个普遍的缺陷：不能防止污秽在绝缘子表面的积累，因而无法从根本上杜绝污闪现象的发生。针对此结果，专家们提出未来的研究方向应该在于：一方面减少绝缘子表面污秽的积累；另一方面利用半导体釉绝缘子。但后者增加电量损耗，因而其应用范围受到限制。

上世纪90年代以来，在瓷砖、玻璃及各种建材表面涂覆TiO2光催化剂可提高其表面的自清洁作用。为此，在本文中，我们在陶瓷绝缘子表面涂覆一层光催化薄膜，期望通过光催化剂的自清洁作用，减少污秽在绝缘子表面的积累，从而提高其抗污闪能力。

2、光催化绝缘子的制备

光催化绝缘子的制备按以下工序进行：将陶瓷绝缘子（XWP-70型）表面清洗干净，干燥后采用旋转喷涂装置在绝缘子表面涂覆液态TiO2型光催化刘（福州大学光催化研究所制备），在一隧道窑中进行热处理制得表面具有光催化薄膜（厚度约200nm）的绝缘子。

将制得的光催化绝缘子与普通绝缘子进行户外放置污秽积累对比试验，同时比较两者的电气性能。

3、光催化绝缘子的性能

3．1自清洁性能

涂膜前后的绝缘子放置在户外一段时间后（2004年6月开始），放置7个月后比较了绝缘子表面外观（图1）。而后继续放置，经过季节更替的两个周期后，分别在旱季和雨季测试了绝缘子表面的灰密积累量，得到以下结果（见表一）。

表1户外放置不同时间后光催化绝缘子和普通绝缘子表面的积污状况

图1显示，光催化绝缘子表面较普通绝缘子表面干净得多。而表一结果进一步显示，两种绝缘子表面的灰密值在旱季（挂置20个月）较高，而在雨季（挂置22个月）的灰密值都相对较少，但两种情况下普通绝缘子表面的灰密值较光催化绝缘子高的多。事实上，在绝缘子表面积污过程中，积污量是随着季节而变化的，这主要是表面浮尘的变化所致，原在在于风雨天气都可去除浮尘。但绝缘子表面的所积累的油污通常紧密粘附在绝缘子表面，风雨无法去除。由于光催化绝缘子表面的光催化薄膜在光照作用下可以分解油污等有机物，因而能够保持表面清洁，减少了表面污垢量的和积累。但光催化薄膜不能分解去除浮尘（大多为无机物），从而表现出旱季的浮尘量不会减少。借鉴绝缘子表面测试盐密时用的饱和盐密定义，来定义绝缘子表面污秽（灰密）积累参数：

饱和灰密值S_b=S_L/(1—C)

式中，S_L—年度最大灰密值

C—灰密残余率（雨季灰密值/平均年度灰密）

1—C——绝缘子的自清洗率

若以旱季表面的灰密作为平均年度灰密，常规雨季灰密值，则可计算出：

普通绝缘子的自清洗率=1—10.2/24.3=0.52

光自洁绝缘子的自清洗率=1—3.8/16.6=0.77

可见，与未涂膜的普通绝缘子相比，涂膜绝缘子表现出较高的自清洗作用，这种作用将可能随时间延长而变得差异更大。

3．2电气性能

绝缘子的绝缘性能是其最基本的要求，考虑到TiO2光催化薄膜具有半导体特性，将有可能降低其绝缘性，为此比较涂膜前后绝缘子的电气性能。50%雷电冲击结果显示（表2），光催化绝缘子的闪络电压并没有下降，甚至普通绝缘子高。

表2绝缘子（5片串）的50%雷电冲击下正、负极性闪络电压值

表3绝缘子表面的工频湿闪络电压值

表3为两种绝缘子的工频湿闪络电压测试比较结果。尽管单片光催化绝缘子的闪络电压较普通绝缘子低，但组成绝缘子串后光催化绝缘子的闪络电压值较普通绝缘子的高。这可能是TiO2薄膜的半导体特性所致，因为半导体相对较低的绝缘性具有均匀电场的作用。可见涂覆光催化薄膜后并没有降低绝缘子的绝缘特性。

防污闪作用的另一个特性表现在相等污秽条件下具有较高的闪络电压和耐受电压。3片串绝缘子的人工污秽测试结果显示（表4），光催化绝缘子表现出较高的闪络电压和耐受电压。这表明，既便在相同的积污条件下，光催化绝缘子依然表现出更佳的防污闪作用。

表4绝缘子的人工污秽试验结果

4、结论

上述研究结果表明，在普通绝缘子表面涂覆一层TiO2光催化薄膜仅可以减少绝缘子表面的积污，而且可维持绝缘子表面的绝缘特性，表现出了其潜在的应用情景。利用光催化技术提高绝缘子的防污闪性能的研究是一全新的技术，与现有绝缘子防污闪技术相比，该技术的研究不再从提高表面绝缘性能出发，而是从减少绝缘子表面污秽积累着手，为绝缘子的防污闪研究提供了一个新的思路和概念。